利用熱磁對流強化低溫含氧流體傳熱的裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及低溫介質(zhì)換熱，尤其涉及利用熱磁對流強化低溫含氧流體傳熱的
目.0
【背景技術(shù)】
[0002]換熱器是實現(xiàn)冷熱流體熱量交換的主要場所。低溫?fù)Q熱器在以空氣分離為代表的大型工業(yè)流程中占有重要地位。在空氣壓縮過程中，為了提高壓縮效率需要機殼冷卻、級間冷卻器；空氣液化循環(huán)中需要設(shè)置主換熱器；空氣分離裝置的冷箱內(nèi)又有液化器、過冷器以及精餾設(shè)備中部的主冷凝蒸發(fā)器等。這些換熱器的性能直接影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和經(jīng)濟指標(biāo)。
[0003]換熱器在120K以下的低溫環(huán)境中工作時，一般具有如下特點:
[0004](I)換熱效率要求高，低溫?fù)Q熱器消耗的是低溫冷量，溫度越低，制冷花費的代價就越高。因此為了減少換熱過程中的能量損失，就要求換熱溫差盡量減小，換熱效率盡量高。這也是造價很高的高效緊湊式換熱器廣泛應(yīng)用于低溫系統(tǒng)的主要原因。
[0005](2)允許阻力小，換熱器的阻力直接影響能耗，尤其是在低壓工業(yè)流程中，對換熱器的阻力要求十分苛刻，在大流量情況下的允許壓降只有0.01?0.02MPa。
[0006](3)以對流換熱為主，從傳熱方式上看，由于溫度很低，輻射換熱所占的比例很小，可忽略不計。傳熱方式以對流為主。為了強化換熱，降低能耗，必須提高對流換熱系數(shù)。
[0007]綜上所述，對于低溫環(huán)境下工作的換熱器，各方面要求均更加苛刻。大型空氣分離裝置中，由于整體焊接工藝及交通運輸?shù)南拗?，對于換熱器的體積也有嚴(yán)格的要求。因此在現(xiàn)有加工工藝和允許體積前提下，提高低溫?fù)Q熱器效率，進而降低能耗、提高生產(chǎn)率，具有現(xiàn)實意義。以空分系統(tǒng)中最常見的板翅式換熱器為例，目前強化傳熱的措施主要有:
[0008](I)增加傳熱面積，傳熱面積越大，所傳遞的熱量就越多，板翅式換熱器中的翅片就起到了增大換熱面積的作用。目前，換熱面積增大主要受到加工工藝與換熱器體積的限制。
[0009](2)加大溫差，可通過合理緊湊的流道布置來實現(xiàn)，目前比較成熟，但換熱溫差的增大也會帶來一定的不可逆損失。
[0010](3)增強對流換熱，主要通過鋸齒、波紋、多孔翅片破壞邊界層，如李清等在申請?zhí)枮镃N 201410364670.1的專利文獻中提出混合型翅片。是目前換熱器強化的主要趨勢，缺點是會引入額外阻力，破壞換熱器強度。
[0011]在空氣分離流程中的換熱器，參與換熱的介質(zhì)通常為液氧或含氧流體。這些介質(zhì)由于含有大量的氧分子，一般具有強順磁性，可以被磁體吸引。利用這一性質(zhì)可以控制氧的流動，甚至實現(xiàn)如申請?zhí)枮镃N200510086240.9及申請?zhí)枮镃N200820010636.4的專利文獻中提出的磁氧分離。楊昆侖等在申請?zhí)枮镃N 200610165529.4的專利文獻中提出了一種包含加熱器、磁極和封閉環(huán)路的磁性流體換熱系統(tǒng)，實現(xiàn)了固定環(huán)路里無機械驅(qū)動的對流環(huán)路。
[0012]目前還沒有利用熱磁對流強化低溫含氧流體傳熱的方法及裝置的相關(guān)報道?！緦嵱眯滦蛢?nèi)容】
[0013]為了進一步提高低溫?fù)Q熱器的運行效率，本實用新型提供一種非接觸、換熱效率高、體積小、流動阻力小、附加能耗低的利用熱磁對流強化低溫含氧流體傳熱的方法和裝置。
[0014]一種利用熱磁對流強化低溫含氧流體傳熱的裝置，包括帶有換熱流體出入口的兩個封頭，以及位于兩個封頭之間的換熱芯體；所述換熱芯體內(nèi)設(shè)有分別與對應(yīng)換熱流體出入口連通的換熱通道，至少有一組換熱通道內(nèi)為含氧低溫流體，所述利用熱磁對流強化低溫含氧流體傳熱的裝置還包括對所述含氧低溫流體產(chǎn)生梯度磁場作用力的磁場發(fā)生裝置。
[0015]在低溫制冷領(lǐng)域，低溫流體一般是指液態(tài)的氧、氮、氬、氫、氦，及其混合物等。本實用新型提到的含氧低溫流體一般是指液態(tài)氧、或者其他含氧混合流體，例如液態(tài)空氣等。
[0016]液態(tài)的氧氣是一種強順磁性流體，參加換熱的含氧低溫流體將受到朝向磁場強度增大方向的磁化力。同時，由于順磁性氣體遵從居里定律(磁化率與熱力學(xué)溫度成反比)，低溫下氧氣的磁化率將大幅提高，溫度-183.15°C時，液氧的體積磁化率為0.00345。相反地，常見的其它純質(zhì)液體只具有相當(dāng)微弱的逆磁性，且磁化率大小與溫度無關(guān)。
[0017]如果有一個非均勻磁場放在順磁性流體附近，順磁性流體受磁場吸引而流向高磁感應(yīng)強度區(qū)域。如在流動的同時對流體加熱，流體溫度升高，受磁場的吸引力減小，從而受到后面磁化率高的冷流體推擠，排出高磁感應(yīng)強度區(qū)域。于是在非均勻磁場和熱流的綜合作用下，不斷有順磁性流體流過非均勻磁場，這種現(xiàn)象被稱為熱磁對流或稱磁風(fēng)。
[0018]本實用新型的工作原理是通過對順磁性的低溫含氧流體施加非均勻磁場，使得換熱通道內(nèi)由于熱磁對流現(xiàn)象形成許多不穩(wěn)定的渦流，從而實現(xiàn)在不改變換熱器機械結(jié)構(gòu)的前提下實現(xiàn)破壞邊界層、增大對流換熱系數(shù)的目的。
[0019]作為優(yōu)選，所述磁場產(chǎn)生裝置包括:
[0020]包圍在換熱芯體外周的外磁體；
[0021]位于外磁體的磁場內(nèi)，且靠近換熱通道側(cè)壁設(shè)置的一個或多個內(nèi)磁體。
[0022]其中外磁體提外加磁場，內(nèi)磁體在外加磁場作用下可具備磁力作用。本實用新型的內(nèi)磁體一般為軟磁體，當(dāng)外磁體工作時，內(nèi)磁體具備磁性，當(dāng)外磁體的外加磁場作用力消失時，內(nèi)磁體的磁力也消失。在外加磁場的作用下，所述內(nèi)磁體表面將形成很高的磁場梯度。另外，內(nèi)磁體一般設(shè)置在那些供含氧低溫流體通過的換熱通道側(cè)壁附近，對低溫氧原子提供磁力。
[0023]作為優(yōu)選，所述外磁體為超導(dǎo)磁體。由于本實用新型的利用熱磁對流強化低溫含氧流體傳熱的裝置本身處于低溫下，無需額外的超導(dǎo)冷卻裝置，可以在消耗極少能量的前提下獲得很高的磁場強度。
[0024]作為優(yōu)選，所述內(nèi)磁體為獨立于換熱通道的導(dǎo)磁件。此時，內(nèi)磁體與換熱通道之間可獨立設(shè)置，作為進一步優(yōu)選，所述導(dǎo)磁件為軸向與換熱通道長度方向一致的多個獨立的導(dǎo)磁棒，多個導(dǎo)磁棒沿?fù)Q熱通道側(cè)壁周向均勻布置。
[0025]作為優(yōu)選，所述內(nèi)磁體為與換熱通道側(cè)壁一體設(shè)置的導(dǎo)磁條，多個導(dǎo)磁條之間相互隔離。加工時，通過本身為導(dǎo)磁材料或表面鍍有導(dǎo)磁金屬的薄板沖壓制成，在外加磁場的作用下，所述換熱芯體將形成很高的磁場梯度。
[0026]作為優(yōu)選，所述導(dǎo)磁條的長度方向與換熱通道長度方向一致，且多個導(dǎo)磁條沿?fù)Q熱通道側(cè)壁周向均勻布置。采用該技術(shù)方案，可保證含氧低溫流體內(nèi)產(chǎn)生不穩(wěn)定的渦流。
[0027]作為優(yōu)選，所述換熱芯體包括:
[0028]若干平行設(shè)置的隔板；
[0029]間隔設(shè)置在相鄰兩個隔板之間的翅片；
[0030]每個翅片的兩側(cè)分別與相鄰兩個隔板固定，翅片與隔板之間設(shè)有換熱通道。
[0031]上述技術(shù)方案中，所述換熱芯體由多個翅片與隔板交替疊放構(gòu)成，每個翅片兩側(cè)與封條相連。本實用新型為非接觸式的間壁換熱器，參與換熱的壁面帶有磁場，且越靠近壁面處的磁場強度越強。所述翅片為平直翅片、波紋翅片或者多孔翅片等形式，所述換熱芯體通過真空釬焊或擴散熔合焊等技術(shù)焊接成形。板翅式換熱器中的一股或多股傳熱介質(zhì)為含氧低溫流體。
[0032]本實用新型中，根據(jù)需要，可在封頭與換熱芯體之間設(shè)置分配段和導(dǎo)流片，用于實現(xiàn)換熱芯體內(nèi)換熱通道與換熱流體出入口的連通。
[0033]本實用新型還提供了一種利用熱磁對流強化低溫含氧流體傳熱的方法，包括:將兩股或多股換熱流體進行非接觸式換熱，該兩股或多股換熱流體中至少有一股換熱流體為含氧低溫流體；換熱過程中，同時對含氧低溫流體施加梯度磁場作用力，使得受梯度磁場作用力的含氧低溫流體產(chǎn)生渦流，熱流體放出熱量溫度降低，冷流體吸收熱量溫度升高，以完成傳熱。
[0034]參見圖4，本實用新型中，對于一個換熱通道，遠(yuǎn)離壁面的A處流體的溫度較低，受到很強的朝向壁面的磁化力，從而向著壁面的方向流動；靠近壁面的B處接近壁面的流體吸收壁面?zhèn)鱽淼臒崃縌而溫度升高，磁化率降低，受到的磁化力減弱，在A處流體的推動下橫向運動到C ;運動過程中流體溫度進一步升高，由于冷流體不斷涌向壁面，C處流體受到擠壓而遠(yuǎn)離壁面運動到D ;由于慣性的作用，以及為了補充A處流失的流體，D處的流體運動到A，并在這一過程中向周圍的冷流體放出熱量，溫度降低，從而完成一個循環(huán)。在所述的換熱通道內(nèi)，可以形成許多類似的不穩(wěn)定渦流，從而不停地破壞靠近壁面的層流邊界層，流體中的對流換熱過程因此得到強化，整個換熱器的換熱效率得到提高。
[0035]本實用新型通過環(huán)繞換熱芯體的外磁體使換熱表面形成高梯度磁場，在不改變換熱器結(jié)構(gòu)、不引入額外阻力的前提下實現(xiàn)對流換熱的強化，提高了換熱效率?？諝夥蛛x等低溫工業(yè)流程